Глава VI

Сущность получения неразъемного сварного соединения двух металлических заготовок в твердом состоянии состоит в сближении идеально чистых соединяемых поверхностей на расстояния (2 ... 4)10"¹⁰ см, при которых возникают межатомные силы притяжения. При достижении таких рас­стояний возможен процесс образования металлических связей, т.е. появление кол­лективных электронов двух соединяемых поверхностей и их взаимодействие с по­ложительно заряженными ионами кри­сталлических решеток.

термораскалыванием. Его применяют для разделения полупроводниковых, керамиче­ских и ситалловых подложек на отдельные элементы. Он заключается в нанесении лазерным излучением на поверхность ма­териала дорожек или трещин глубиной 25 ... 350 мкм и последующем разламыва­нии материала механическим воздействи­ем. Для реализации этого метода применя­ют импульсные твердотельные (обработка полупроводников) или С0₂-лазеры (обра­ботка керамики, стекла) средней мощно­стью 2 ... 25 Вт.

Лазерная резка - очень высокопроиз­водительный процесс, позволяющий по­лучать резы различной конфигурации как при отрезке заготовок, так и при вырезке их по замкнутому контуру. Современные лазерные установки для резки снабжены системами перемещения заготовок с ЧПУ или управляемыми ЭВМ.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Почему при газовой сварке в шве и в околошовной зоне образуется крупнозернистая структура?

2. Каковы основные требования к металлу, разрезаемому кислородной резкой?

3. Каковы принципиальные различия про­цессов кислородной, плазменной и лазерной резки?

4. Существуют ли ограничения по свойствам материалов для лазерной и плазменной резки?

Строение и состояние реальной по­верхности соединяемых заготовок харак­теризуются наличием большого количест­ва дефектов, неровностей и зафязнений. Поверхность любого, даже тщательно от­полированного твердого тела всегда вол­ниста, шероховата и имеет множество микроскопических выступов, высота каж­дого из которых, однако, на несколько порядков больше, чем расстояния, необ­ходимые для возникновения сил меж­атомного взаимодействия.

СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ

255

Кроме того, наружную поверхность ме­талла характеризуют наличие некомпен­сированных металлических связей и боль­шое количество дефектов кристаллическо­го строения, что способствует ее активному взаимодействию с внешней средой и при­водит к быстрому окислению и осаждению на поверхности жидкости и газов.

Практически после любой обработки поверхность мгновенно покрывается тон­кой пленкой оксидов, а также слоем ад­сорбированных молекул воды и жировых веществ. Толщина этого слоя составляет 100 ... 200 молекул, и удалить его полно­стью не удается, так как этому препятст­вует возникшая между слоем и поверхно­стью электрическая связь. Следовательно, даже если создать идеально плоские со­единяемые поверхности, при их сближе­нии соединение не-может возникнуть из-за слоя оксидов и масляных пленок, адсор­бированных примесей.

Получить прочное неразъемное соеди­нение двух поверхностей в твердом со­стоянии можно при условии удаления за­грязняющих пленок и осуществления за­тем плотного контакта по всей соединяе­мой плоскости. Практически при сварке в твердом состоянии этого достигают при приложении к свариваемым заготовкам давления, величина которого должна быть достаточной для смятия всех неровностей в соединяемом сечении.

В начальный момент сближения в точ­ках касания разрушается слой осажденных на поверхности примесей и появляются "островки" металлических соединений. При возрастании давления площадь кон­тактирования поверхностей (сближения до расстояний начала действий межатомных сил притяжения) увеличивается. Вследст­вие большой плотности контакта соеди­няемые поверхности не сообщаются с ат­мосферой, поэтому новые оксидные и жи­ровые пленки не образуются, а имевшиеся до этого частично выдавливаются из зоны соединения наружу, частично диффунди­руют в глубь металла и не препятствуют образованию металлических связей. Необ-

ходимым условием получения качествен­ного соединения в твердом состоянии яв­ляются хорошая очистка и подгонка по­верхностей и наличие сдвиговых пластич­ных деформаций в зоне соединения в мо­мент сварки.

1. ХОЛОДНАЯ СВАРКА

Холодную сварку выполняют без на­грева при обычных и даже пониженных температурах. Физическая сущность про­цесса заключается в сближении сваривае­мых поверхностей до образования метал­лических связей между ними. В результа­те сдавливания заготовок в месте соеди­нения происходит совместная пластиче­ская деформация, сопровождающаяся раз­рушением пленок оксидов, которые уда­ляются из зоны контакта при течении ме­талла. Образовавшиеся совершенно чис­тые поверхности обеспечивают прочное соединение.

Холодной сваркой выполняют точеч­ные, шовные и стыковые соединения. На рис. 5.23, а представлена схема точечной сварки. Предварительно зачищенные и обезжиренные поверхности 2 свариваемых заготовок 1 сдавливают пуансонами 3, имеющими рабочие выступы 4, высота которых составляет 0,7 ... 0,8 толщины свариваемого металла. Сила сжатия долж­на обеспечить полное проникание высту­пов в свариваемые заготовки. Контур сва­риваемых точек может быть различным и зависит от формы выступающей части пуансона (рис. 5.23, б).

Для холодной шовной сварки приме­няют специальные ролики. Непрерывное соединение может быть также получено путем сдавливания одновременно по всей длине соединения или путем прокатыва­ния ролика. Швы, образующие замкнутый контур небольшой длины в виде кольца, прямоугольника и т.п., получают контур­ной сваркой. На рис. 5.23, в дана схема сварки полых деталей по контуру. Пуан­соны 5 строго центрируются с помощью корпуса 6.

256

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

_I

s^>

_ъ

_[

б)

в)

Р а)

Рис. 5.23. Схема холодной точечной сварки и виды свариваемых точек

Холодной сваркой соединяют металлы и сплавы толщиной 0,2 ... 15 мм. Необхо­димое давление на металл зависит от со­става и толщины свариваемого материала и в среднем составляет 150 ... 1000 МПа. Холодной сваркой сваривают однородные или неоднородные металлы и сплавы, об­ладающие высокой пластичностью при нормальной температуре. В недостаточно пластичных металлах при больших де­формациях при сварке могут образовы­ваться трещины. Высокопрочные металлы и сплавы холодной сваркой не сваривают, так как для этого требуются очень боль­шие давления, которые практически труд­но осуществить. Хорошо свариваются сплавы алюминия, кадмия, свинца, меди, никеля, золота, серебра, цинка.

К преимуществам этого способа отно­сятся малый расход энергии, незначитель­ное изменение свойств металла в зоне сварного соединения, высокая производи­тельность, возможность автоматизации. К недостаткам способа следует отнести относительно ограниченное количество сплавов, обладающих необходимой пла­стичностью (§ > 30 %), а также снижение несущей способности сварных соединений из-за глубоких вмятин на поверхности, оставляемых пуансонами.

Для соединения холодной точечной сваркой могут быть использованы любые прессы (винтовые, гидравлические, ры­чажные, эксцентриковые), кроме того, применяются специализированные уста­новки для стыковой холодной сварки.

2. КОНТАКТНАЯ СВАРКА

Контактная сварка относится к видам сварки с кратковременным нагревом места соединения без оплавления или с оплавле­нием и с последующей осадкой разогре­тых заготовок. Характерная особенность этих процессов - пластическое деформи­рование, в ходе которого формируется сварное соединение.

Место соединения разогревается про­ходящим по металлу электрическим то­ком, причем максимальное количество теплоты выделяется в месте сварочного контакта (рис. 5.24). Количество выделяе­мой теплоты определяется законом Джо-уля-Ленца:

Q*I²Rt,

где Q - количество теплоты, выделяемое в сварочном контуре. Дж; / - сварочный ток, A; R - полное электросопротивление сварочного контура, Ом; / - время проте­кания тока, с.

_t

_{Т "" Т}

Рис. 5.24. Схемы контактной сварки

d—£—~\ R₃

СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ

257

Полное электросопротивление свароч­ного контура R состоит из электросопро­тивления выступающих концов L свари­ваемых заготовок R_w, сварочного контак­та R_K и электросопротивления между элек­тродами и заготовками Л_эл:

1 2

3 4

R « Л_заг + Ry. + R₃

Электросопротивление R_K имеет наи­большее значение, так как из-за неровно­стей поверхности стыка даже после тща­тельной обработки заготовки соприкаса­ются только в отдельных точках. В связи с этим действительное сечение металла, через которое проходит ток, резко умень­шается. Кроме того, на поверхности сва­риваемого металла имеются пленки окси­дов и загрязнения с малой электропрово­димостью, которые также увеличивают электросопротивление контакта. В резуль­тате в точках контакта металл нагревается до термопластичного состояния или до оплавления.

При непрерывном сдавливании нагре­тых заготовок пластичный металл в мес­тах контакта деформируется, поверхност­ные оксидные пленки разрушаются и уда­ляются к периферии стыка. В соприкосно­вение приходят совершенно чистые слои металла, образующие сварное соединение.

3. КОНТАКТНАЯ СТЫКОВАЯ СВАРКА

Стыковая сварка - разновидность кон­тактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности сопри­косновения. Свариваемые заготовки за­крепляют в зажимах стыковой машины (рис. 5.25). Зажим 3 установлен на под­вижной плите 4, перемещающейся в на­правляющих, зажим 2 укреплен на непод­вижной плите 1. Сварочный трансформа­тор соединен с плитами гибкими шинами и питается от сети через включающее уст­ройство. Плиты перемещаются, и заготов­ки сжимаются под действием силы Р, обеспечиваемой механизмом осадки.

Рис. 5.25. Схема контактной стыковой сварки

Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последую­щей осадкой называют сваркой сопротив­лением, а при разогреве торцов заготовок до оплавления и последующей осадкой -сваркой оплавлением. Для правильного формирования сварного соединения необ­ходимо, чтобы процесс протекал в опреде­ленной последовательности. Совместное графическое изображение тока и давления, изменяющихся в процессе сварки во вре­мени, называют циклограммой сварки.

Циклограмма контактной сварки со­противлением представлена на рис. 5.26. Заготовки сдавливаются силой Р, включа­ется ток, металл разогревается до пласти­ческого состояния, затем заготовки снова сдавливают - производят осадку, одно­временно отключая ток.

Рис. 5.26. Циклограмма контактной стыковой сварки сопротивлением

9503

258

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Перед стыковой сваркой сопротивле­нием заготовки должны быть очищены от оксидных пленок и торцы их плотно при­гнаны друг к другу предварительной ме­ханической обработкой.

Параметрами режима контактной сты­ковой сварки сопротивлением являются плотность тока у (А/мм²), сила сжатия тор­цов заготовки Р (Н) и время протекания тока t (с), которое определяют косвенно через величину осадки, зависящую от ус­тановочной длины L. Установочной дли­ной L называют расстояние от торца заго­товки до внутреннего края электрода сты­ковой машины, измеренное до начала сварки. Она зависит от теплофизических свойств металла, конфигурации стыка и размеров заготовки.

Типы сварных соединений, выполняе­мых стыковой сваркой сопротивлением, представлены на рис. 5.27. Этим способом соединяют заготовки малого сечения (до 100 мм²), так как при больших сечениях нагрев будет неравномерным. Сечения соединяемых заготовок должны быть оди­наковыми по форме и с простым перимет­ром (круг, квадрат, прямоугольник с ма­лым отношением сторон). Сваркой сопро­тивлением можно сваривать низкоуглеро­дистые, низколегированные конструкци­онные стали, алюминиевые сплавы.

Стыковая сварка оплавлением имеет две разновидности: непрерывным и пре­рывистым оплавлением. При непрерывном оплавлении между заготовками, установ­ленными в электродах машины, оставляют зазор, подключают источник тока и рав-

ЕЭ

Рис. 5.27. Типы сварных соединений, выпол­няемых стыковой сваркой сопротивлением

Рис. 5.28. Циклограмма контактной стыковой сварки оплавлением:

S- перемещение плиты, мм; Р - сила сжатия загото­вок; / - сварочный ток

номерно сближают заготовки. Соприкос­новение происходит вначале по отдель­ным небольшим площадкам, через кото­рые протекает ток высокой плотности. При этом под действием магнитного поля расплавленный и кипящий металл выбра­сывается наружу. После достижения рав­номерного оплавления всей поверхности стыка заготовки осаживают. Циклограмма сварки непрерывным оплавлением пока­зана на рис. 5.28.

При прерывистом оплавлении зажатые заготовки сближают, приводят их в крат­ковременное соприкосновение и вновь отводят на небольшое расстояние.

Быстро повторяя одно за другим сбли­жения и разъединения, выполняют оплав­ление всего сечения. Затем выключают ток и сдавливают заготовку. Под давлени­ем часть расплавленного металла вместе с оксидами выдавливается из зоны сварки.

Сварка оплавлением имеет преимуще­ства перед сваркой сопротивлением. В процессе оплавления выравниваются все неровности стыка, а оксиды и загрязнения удаляются, поэтому не требуется особой подготовки места соединения. Можно сва­ривать заготовки с сечением сложной фор­мы, а также заготовки с различными сече­ниями, разнородные металлы (быстроре­жущую и углеродистую стали, медь и алю­миний и т.д.). Типы сварных соединений, выполняемых стыковой сваркой оплавле­нием, приведены на рис. 5.29.

СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ

259

Рис. 5.29. Типы сварных соединений, выпол­няемых стыковой сваркой оплавлением

Наиболее распространенными изде­лиями, изготовляемыми стыковой свар­кой, служат элементы трубчатых конст­рукций, колеса и кольца, инструмент, рельсы и т.п.

4. КОНТАКТНАЯ ТОЧЕЧНАЯ СВАРКА

Точечная сварка - разновидность кон­тактной сварки, при которой заготовки соединяются в отдельных точках. При точечной сварке заготовки собирают вна­хлестку и сжимают силой Р между двумя электродами, подводящими ток к месту сварки (рис. 5.30). Соприкасающиеся с медными электродами поверхности свари­ваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Нагрев продолжают до пластичного состояния внешних и до расплавления внутренних слоев. После этого выключают ток и несколько увели­чивают, а затем снимают давление. В ре­зультате образуется литая сварная точка.

Точечная сварка в зависимости от рас­положения электродов по отношению к свариваемым заготовкам может быть дву­сторонней и односторонней. Придвусто-

Рис. 5.30. Схема контактной точечной сварки

9*

ронней сварке (рис. 5.30, а) две (или больше) заготовки 1 сжимают между электродами 2 точечной машины. При односторонней сварке (рис. 5.30, б) ток распределяется между верхним и нижним листами 3 и 4, причем нагрев осуществля­ется частью тока, протекающего через нижний лист. Для увеличения тока, про­ходящего через нижний лист, предусмот­рена медная подкладка 5. Односторонней сваркой можно соединять заготовки одно­временно двумя точками. Параметры ре­жима точечной сварки: сила сжатия (Н), плотность тока у (А/мм²), время протека­ния тока t(c).

На рис. 5.31 показана одна из приме­няемых циклограмм точечной сварки. Весь цикл сварки состоит из четырех ста­дий: сжатия свариваемых заготовок между электродами; включения тока и разогрева места контакта до температуры плавления, сопровождающегося образованием литого ядра точки; выключения тока и увеличе­ния сжатия (проковка) для улучшения структуры сварной точки; снятия сжатия. Перед сваркой место соединения очищают от оксидных пленок (наждачным кругом или травлением).

Типы сварных соединений, выполняе­мых точечной сваркой, показаны на рис. 5.32. Точечной сваркой изготовляют штампо-сварные конструкции при соеди­нении отдельных штампованных элемен­тов сварными точками. В этом случае уп­рощается технология изготовления свар­ных узлов и повышается производитель­ность. Точечную сварку применяют для изготовления изделий из низкоуглероди­стых, углеродистых, низколегированных и

I.P

Рис. 5.31. Циклограмма контактной точечной сварки

260

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

^

_J,

Рис. 5.32. Типы сварных соединений, выпол­няемых точечной сваркой

высоколегированных сталей, алюминие­вых сплавов. Толщина свариваемых ме­таллов составляет0,5 ... 5 мм.

Многоточечная контактная сварка -разновидность контактной сварки, когда за один цикл сваривается несколько точек. Многоточечную сварку выполняют по принципу односторонней точечной свар­ки. Машины для многоточечной сварки могут иметь от одной пары до 100 пар электродов; соответственно, можно свари­вать 2 ... 200 точек за одну установку из­делия. Многоточечной сваркой сваривают одновременно и последовательно. В пер­вом случае все электроды сразу прижи­мают к изделию, что обеспечивает мень­шее коробление и большую точность сборки. Ток распределяется между прижа­тыми электродами специальным токорас-пределителем, включающим электроды попарно. Во втором случае пары электро­дов опускают поочередно или одновре­менно, а ток подключают поочередно к каждой паре электродов от сварочного трансформатора. В массовом производст­ве, например в автомобильной промыш­ленности, применяют, как правило, маши­ны, работающие по заданной программе. Производительность их очень высока - до 1000 и более точек в минуту.

5. КОНТАКТНАЯ ШОВНАЯ СВАРКА

Шовная сварка - разновидность кон­тактной сварки, при которой между свари­ваемыми заготовками образуется прочное и плотное соединение. Электроды выполня­ют в виде плоских роликов, между кото­рыми пропускают свариваемые заготовки.

Рис. 5.33. Схема шовной сварки

В процессе шовной сварки листовые заготовки 1 собирают внахлестку, зажи­мают между электродами 2 (рис. 5.33) и пропускают ток. При движении роликов по заготовкам образуются перекрываю­щие друг друга сварные точки, в результа­те чего получается сплошной герметич­ный шов. Шовную сварку, как и точеч­ную, можно выполнить при двустороннем (рис. 5.33, а) и одностороннем (рис. 5.33, б) расположениях электродов.

Последовательность этапов технологи­ческих операций вначале и по завершении сварки шва такая же, как при точечной. Сварку по циклограмме с непрерывным включением тока (рис. 5.34, а) применяют для коротких швов и сварки металлов и сплавов, не склонных к росту зерна и не претерпевающих заметных структурных превращений при перегреве околошовной зоны (низкоуглеродистые и низколегиро­ванные стали). Циклограмма с прерыви­стым включением тока (рис. 5.34, б) обес­печивает стабильность процесса и высокое качество сварного соединения при малой зоне термического влияния. Ее использу­ют при сварке длинных швов на заготов­ках из высоколегированных сталей и алю­миниевых сплавов.

Шовная контактная сварка - очень вы­сокопроизводительный процесс, скорость его может достигать 10 м/мин. Особенно эффективно ее применение в массовом производстве листовых конструкций для получения прочных и герметичных швов, например при изготовлении емкостей. Допустимая толщина свариваемых загото­вок 0,3 ... 3 мм.

СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ

261

i,p.s

Рис. 5.34. Циклограммы шовной сварки: Р - усилие сжатия; S - пере­мещение роликов; / - свароч­ный ток; / - время

6. ОБОРУДОВАНИЕ

ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

Контактную сварку выполняют с по­мощью специальных контактных машин. Контактные машины в зависимости от типа выполняемого на них соединения подразделяют на стыковые, точечные и шовные. Контактная машина состоит из трех основных частей: источника тока, прерывателя тока и механизма давления.

Электрическая схема контактных ма­шин включает трансформатор, прерыватель тока и переключатель ступеней мощности (рис. 5.35). Первичную обмотку трансфор­матора подключают к сети с напряжением 220 ... 380 В; ее изготовляют секционной для изменения числа рабочих витков при переключении ступени мощности. Вторич­ная обмотка трансформатора состоит из од-

Рис. 5.35. Электрическая схема контактной машины:

/ - свариваемые изделия; 2 - контактная колодка; 3 - сварочный трансформатор; 4 - регулятор тока, 5 - электромагнитный прерыватель тока; 6 - вклю­чающая кнопка

ного или двух витков (вторичное напряже­ние 1 ... 12 В). Сила вторичного тока со­ставляет 1000 ... 100 000 А.

При изменении числа витков первич­ной обмотки изменяется коэффициент трансформации К:

AT = ш, /со₂ =С/,/С/₂,

где Ю| и со₂ - число витков первичной и

вторичной обмоток; U\ и U₂ - соответст­венно первичное и вторичное напряжения обмотки.

Вторичное напряжение

U-,

■ и_хщ /<»i>

где со₂ = 1; t/, - величина постоянная.

Следовательно, для изменения U₂ не­обходимо изменить число включенных витков первичной обмотки со,; соответст­венно, будет изменяться и сила тока.

В процессе сварки приходится перио­дически, а часто и с весьма большой час­тотой включать и выключать ток. Для этой цели применяют прерыватели тока не­скольких типов: простые механические контакторы, электромагнитные, электрон­ные и полупроводниковые приборы. Ме­ханические контакторы применяют глав­ным образом на стыковых и точечных машинах неавтоматического действия не­большой мощности. Электромагнитные контакторы применяют для стыковой, то­чечной и шовной сварки на машинах ма­лой и средней мощности.

Электронные и полупроводниковые приборы (тиристоры) обеспечивают включение и выключение тока со строго

262

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

определенной продолжительностью им­пульсов тока и пауз. Их применяют для всех типов контактных машин автомати­ческого действия.

Механизмы давления служат для сжа­тия заготовок между электродами маши­ны, они могут иметь рычажно-педальный, электромеханический или пневматический привод.

Машины для стыковой сварки выпус­кают мощностью 5 ... 500 кВ • А. Стыко­вые машины мощностью до 25 кВ • А при­меняют для сварки сопротивлением ста­лей и цветных металлов; мощностью 25 ... 250 кВ • А - для сварки сопротивлением и оплавлением стальных заготовок большо­го сечения; мощностью 150 ... 500 кВ ■ А -для автоматической сварки оплавлением с подогревом.

Машины для точечной сварки выпус­кают мощностью 0,1 ... 250 кВ • А. Точеч­ные машины мощностью 0,1 ... 25 кВ ■ А применяют для сварки заготовок толщи­ной 0,1 ... 2 мм из сталей и цветных метал­лов; мощностью 50 ... 100 кВ • А с пневма­тическим или электромеханическим при­водом сжатия - для автоматической свар­ки в массовом производстве; мощностью 75 ... 250 кВ • А с пневматическим приво­дом и электронными прерывателями тока -для сварки заготовок толщиной от 2 мм и выше. Эти машины могут быть использо­ваны также для рельефной сварки.

Современные точечные машины, пред­назначенные для массового производства, иногда являются частью робототехниче-ских комплексов, управляемых ЭВМ.

Машины для шовной сварки по конст­руктивному оформлению близки к маши­нам для точечной сварки и отличаются от них формой электродов, выполненных в виде роликов. Шовные машины выпуска­ют мощностью 25 ... 200 кВ • А. В зависи­мости от способа шовной сварки (непре­рывное или прерывистое включение тока) их снабжают механическими или элек­тронными прерывателями тока.

7. СВАРКА АККУМУЛИРОВАННОЙ ЭНЕРГИЕЙ

Сущность сварки аккумулированной энергией заключается в том, что кратко­временный сварочный процесс осуществ­ляется за счет энергии, запасенной соот­ветствующим приемником, непрерывно заряжающимся и периодически разря­жающимся на сварку.

Существуют четыре разновидности сварки аккумулированной энергией: кон­денсаторная, электромагнитная, инерци­онная и аккумуляторная. Накопление энергии соответственно происходит в ба­тарее конденсаторов, в магнитном поле специального сварочного трансформатора, во вращающихся частях генератора или в аккумуляторной батарее.

Наибольшее промышленное примене­ние получила конденсаторная сварка. Энергия в конденсаторах накапливается при их зарядке от источника постоянного тока (генератора или выпрямителя), а за­тем в процессе их разрядки преобразуется в теплоту, используемую для сварки. На­копленную в конденсаторах энергию можно регулировать изменением емкости и напряжения зарядки (А, Дж):

A = CU²/2,

где С - емкость конденсаторов, Ф; U -напряжение зарядки конденсатора, В.

При конденсаторной сварке возможна точная дозировка количества энергии, не зависящая от внешних условий, в частно­сти от напряжения сети; малое время про­текания тока (тысячные и десятитысячные доли секунды) при высокой плотности тока, обеспечивающее небольшую зону термического влияния, позволяет свари­вать материалы малых толщин (до не­скольких микрометров) и разнородные материалы между собой; способ отличает­ся невысокой потребляемой мощностью (0,2 ... 2 кВ ■ А).

Существуют два способа конденсатор­ной сварки: бестрансформаторная, когда

СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ

263

конденсаторы разряжаются непосредст­венно на свариваемые детали, и трансфор­маторная, когда конденсатор разряжается на первичную обмотку сварочного транс­форматора, во вторичной цепи которого между электродами помещены предвари­тельно сжатые свариваемые заготовки.

Примером бестрансформаторной свар­ки служит ударная конденсаторная сварка (рис. 5.36, а), когда концы обкладок кон­денсатора подключены непосредственно к свариваемым заготовкам 2 и 5, одна из которых жестко закреплена, а другая мо­жет перемещаться в направляющих 5. Ес­ли освободить защелку 4, удерживающую заготовку 2, то под действием пружины 1 она быстро переместится по направлению неподвижной заготовки 5 и ударится о нее. Перед соударением возникает мощ­ный разряд за счет энергии, накопленной в конденсаторе. Этот разряд оплавляет тор­цы обеих заготовок, которые после соуда­рения свариваются между собой под дей­ствием силы осадки. Бестрансформатор­ной сваркой можно сваривать встык про­волоки и тонкие стержни разной толщины из разнородных металлов (вольфрам -никель, молибден - никель, медь - кон­стантен).

Трансформаторная конденсаторная сварка предназначена в основном для то­чечной и шовной сварки, но может быть использована и для стыковой. При этом способе разряд конденсатора преобразует­ся с помощью сварочного трансформатора (рис. 5.36, б). В левом положении пере­ключателя П конденсатор С заряжается от источника постоянного тока. В правом положении переключателя происходит разряд конденсатора на первичную обмот­ку сварочного трансформатора 72. При этом во вторичной обмотке индуктируется ток большой силы, обеспечивающий свар­ку предварительно зажатых между элек­тродами заготовок.

Конденсаторную сварку применяют в производстве электроизмерительных и авиационных приборов, часовых механиз­мов, фотоаппаратов, элементов полупро­водников, электронных схем и т.п.

8. ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СВАРКА

Сущность высокочастотной сварки со­стоит в нагреве до пластичного состояния соединяемых участков детали электриче­скими токами высокой частоты с после­дующим сжатием, приводящим к образо­ванию соединения.

ВЗ?

_[

V7X

б)

а)

Рис. 5.36. Схемы конденсаторной сварки:

а - бестрансформаторная; б - трансформаторная; 77 - повышающий трансформатор; Т2 - сварочный транс­форматор; С - конденсаторная батарея; В- выпрямитель; Я- переключатель

264

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Особенность нагрева токами высокой частоты состоит в использовании явления поверхностного эффекта, связанного с не­равномерностью распределения тока по сечению проводника. Сущность его можно представить следующим образом. При про­текании переменного электрического тока по проводнику вокруг него возникает пе­ременное магнитное поле. Под воздействи­ем этого поля значительно возрастает ин­дуктивное сопротивление центральной час­ти проводника и происходит вытеснение тока в периферийную часть (рис. 5.37, а). С увеличением частоты тока неравномер­ность его распределения увеличивается и приводит к высокой плотности тока, а следовательно, и высокой (до 80 ... 95 %) концентрации тепловой энергии в поверх­ностном слое проводника, в данном слу­чае - свариваемой детали.

Другая особенность высокочастотного нагрева заключается в эффекте близости, возникающем в результате взаимодействия магнитных полей токов, протекающих в близко расположенных проводниках. В за­висимости от направлений тока в зазоре между проводниками будет наблюдаться увеличение или уменьшение суммарной напряженности магнитного поля. Это также приводит к неравномерности распределения тока в проводниках. В случае противопо­ложной направленности тока в заготовках (рис. 5.37, б) наибольшая плотность его бу­дет в тех частях поверхности, которые об­ращены к другому проводнику.

Эффект близости совместно с поверх­ностным эффектом способствует высокой интенсивности нагрева поверхностного слоя свариваемой детали.

Токи высокой частоты могут подво­диться от внешнего источника (машинные или электронные генераторы) или возни­кать непосредственно в металле заготовки вследствие наведения в них ЭДС самоин­дукции в переменном магнитном поле. В последнем случае для создания вблизи свариваемого изделия переменного маг­нитного поля необходимой конфигурации используют специальный инструмент -индуктор.

На рис. 5.38 представлена одна из схем высокочастотной сварки продольного стыка трубы. Токопроводящие контакты / подводят ток высокой частоты к кромкам сформированной из ленты трубной заго­товки 2. Возникающий вследствие по­верхностного эффекта и эффекта близости ток концентрируется на стыкуемых по­верхностях кромок и нагревает их. В мес­тах контакта стыкуемых кромок (точка А) температура достигает 1200 ... 1300 °С. Трубная заготовка непрерывно подается в валки 3, которые придают ей необходимую степень обжатия. Вследствие большой ин­тенсивности нагрева (8 ... 150) 10 °С/с ско­рость сварки может достигать десятков и даже сотен метров в минуту, что значи­тельно больше, чем при контактной, шов­ной или дуговой сварке.

Рис. 5.37. Схема нагрева поверхности токами высокой частоты

Рис. 5.38. Схема высокочастотной сварки про­дольного стыка трубы

СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ

265

Процесс может осуществляться в атмо­сфере, в защитных газах, в вакууме, с применением флюсов и т.п. Зона термиче­ского влияния, характеризуемая структур­ными превращениями в основном метал­ле, очень мала: 0,15 ... 0,20 мм.

Высокочастотной сваркой могут сва­риваться стали, в том числе и высоколеги­рованные, коррозионно-стойкие, медные и алюминиевые сплавы, высокоактивные металлы и сплавы, а также соединения из разнородных материалов толщиной 0,8 ... 14 мм. По сравнению с контактной шов­ной высокочастотная сварка - в 3 ... 4 раза менее энергоемкий процесс. Полученные соединения имеют высокую механиче­скую прочность и отличаются стабильно­стью качества. Как правило, процесс вы­сокочастотной сварки полностью автома­тизируется: параметры режима - сила то­ка, его частота, качество контакта, точ­ность формовки и величины зазоров, а также давление осадки, скорость подачи заготовки - отслеживаются и корректиру­ются следящими системами.

9. СВАРКА ТРЕНИЕМ

Сварка трением происходит в твердом состоянии при воздействии теплоты, воз­никающей при трении свариваемых по­верхностей.

Трение поверхностей осуществляется вращением или возвратно-поступатель­ным перемещением сжатых заготовок (рис. 5.39). В результате нагрева и сжатия происходит совместная пластическая де­формация. Сварное соединение образуется вследствие возникновения металлических связей между чистыми контактирующими поверхностями свариваемых заготовок. Оксидные пленки на соединяемых по­верхностях разрушаются в результате тре­ния и удаляются в радиальных направле­ниях за счет пластической деформации.

На рис. 5.40 представлены основные фазы процесса. Во время первой фазы t_x устанавливается номинальная частота вращения. Эта фаза характеризуется ма­лыми значениями коэффициента трения

Рис. 5.39. Схемы сварки тре­нием:

а - с вращением одной детали; б - с вращением обеих деталей; в - с вращающейся вставкой; г -с возвратно-поступательным движением одной детали

УМА

_^^т

б) к

лет.

тявг

VVA

г)

Рис. 5.40. Зависимость потребляемой мощно­сти М и частоты вращения п на различных стадиях процесса сварки трением

вследствие перехода от твердого к жидко­му трению. Происходят нагрев и схваты­вание отдельных точек. Во время второй фазы t₂ происходит быстрое нарастание потребляемой мощности и температуры в контакте; в трении участвует вся поверх­ность стыка. Наиболее длительная третья фаза г₃, ^в0 время которой выделяется ос­новная часть теплоты и происходит вы­равнивание температуры по стыку. Это сопровождается спадом потребляемой мощности, что объясняется снижением прочности металла в стыке в связи с по­вышением температуры.

266

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Рис. 5.41. Типы сварных соедине­ний, выполняемые сваркой трением: а - сварка стержней встык; б - сварка труб встык; в - сварка встык стержня с трубой; г - приварка стержня к листу; д - приварка трубы к листу; г - приварка стержня к массивной детали

Основные параметры сварки трением: скорость относительного перемещения свариваемых поверхностей, продолжи­тельность нагрева, сила сжатия, величина пластической деформации, т.е. осадки. Требуемый для сварки нагрев обусловлен скоростью вращения, осевой силой и вре­менем вращения. Для получения качест­венного соединения в конце процесса не­обходимы быстрое прекращение движе­ния и приложение осадочного сдавлива­ния. Параметры режима сварки трением зависят от свойств свариваемого металла, площади сечения, конфигурации изделия. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы и сплавы с раз­личными свойствами, например медь со сталью, алюминий с титаном и др.

На рис. 5.41 показаны основные типы соединений, выполняемых сваркой трением. Соединения получают с достаточно высо­кими механическими свойствами. В про­мышленности сварку трением применяют при изготовлении режущего инструмента, различных валов, штоков с поршнями, пу­ансонов и т.п. При сварке трением по срав­нению с контактной стыковой сваркой снижаются затраты энергии (в 5 ... 10 раз).

10. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА

Ультразвуковая сварка относится к процессам, в которых используют давле­ние и взаимное трение в свариваемых по-

верхностях. Силы трения возникают в ре­зультате действия на заготовки, сжатые осевой силой Р, механических колебаний с ультразвуковой частотой. Для получения механических колебаний высокой частоты используют магнитострикционный эф­фект, основанный на изменении размеров некоторых материалов под действием пе­ременного магнитного поля. Изменения размеров магнитострикционных материа­лов очень незначительны, поэтому для увеличения амплитуды S и концентрации энергии колебаний, а также для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы, в большинстве случаев сужающейся формы.

При ультразвуковой сварке (рис. 5.42) свариваемые заготовки 5 размещают на опоре 6. Наконечник 4 рабочего инстру­мента 3 соединен с магнитострикционным преобразователем 1 через трансформатор 2 продольных упругих колебаний, пред­ставляющих собой вместе с рабочим ин­струментом волновод. Нормальная сжи­мающая сила Р создается моментом М в узле колебаний. В результате ультразву­ковых колебаний в тонких слоях контак­тирующих поверхностей создаются сдви­говые деформации, разрушающие поверх­ностные пленки. Тонкие поверхностные слои металла нагреваются, металл в этих слоях немного размягчается и под дейст­вием силы Р пластически деформируется. При сближении поверхностей на расстоя­ние действия межатомных сил между ни-

СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ

267

Рис. 5.42. Схема ультразвуковой сварки

ми возникает прочная связь. Сравнительно небольшое тепловое воздействие на сва­риваемые материалы обеспечивает мини­мальные изменения их структуры, меха­нических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600 °С, а при сварке алю­миния 200 ... 300 "С. Это особенно важно при сварке химически активных металлов.

Ультразвуковой сваркой можно полу­чать точечные и шовные соединения вна­хлестку, а также соединения по замкнуто­му контуру. При сварке по контуру, на­пример по кольцу, в волновод вставляют сменный рабочий инструмент, имеющий окончание в форме трубы.

Ультразвуковой сваркой можно свари­вать заготовки толщиной 0,001 ... 1 мм, а также приваривать тонкую фольгу к мас­сивным деталям. Ультразвук активно раз­рушает поверхностную пленку, что позво­ляет получать качественные соединения окисленных или покрытых лаком поверх­ностей без их предварительной очистки.

Способ позволяет получать соединения разнородных материалов, например алю­миния с медью, меди со сталью и т.п. Ультразвуковую сварку применяют в при­боростроении, радиоэлектронике, авиаци­онной промышленности. Особенно широ­кое применение она находит при сварке пластмасс.

11. СВАРКА ВЗРЫВОМ

Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использова­нии направленного (кумулятивного) взры­ва (рис. 5.43). Соединяемые поверхности двух заготовок 4 и 3, в частности пластин, одна из которых неподвижна и служит основанием, располагают под углом а друг к другу на расстоянии h₀. На заготов­ку 3 укладывают взрывчатое вещество 2 толщиной Я, а со стороны, находящейся над вершиной угла, устанавливают дето­натор У. Сваривают на жесткой опоре. Давление, возникающее при взрыве, со­общает импульс расположенной под заря­дом пластине. Детонация взрывчатого вещества с выделением газов и теплоты происходит с большой скоростью (не­сколько тысяч метров в секунду).

В месте контакта метаемой пластины с основанием образуется угол у, который перемещается вдоль соединяемых поверх­ностей. При соударении пластин, движу­щихся с большой скоростью, между ними образуется кумулятивная струя, которая разрушает и уносит оксидные поверхно­стные пленки и другие загрязнения, под­готовляя тем самым поверхности для сварки. Поверхности сближаются до рас­стояния действия межатомных сил взаимо­действия, и происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжитель­ность сварки взрывом не превышает не­скольких микросекунд. Этого времени не-

12 3 4

Рис. 5.43. Схема сварки взрывом

268

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

достаточно для протекания диффузионных процессов, в сварных соединениях не обра­зуются промежуточные соединения между разнородными металлами и сплавами.

Сварку взрывом с одинаковым основа­нием можно отнести как к способам свар­ки с оплавлением при кратковременном нагреве, так и к холодной сварке. При ис­следовании места соединения можно об­наружить как участки оплавленного ме­талла, так и участки со структурой, харак­терной для холодной сварки.

Прочность соединений, выполненных сваркой взрывом, выше прочности соеди­няемых материалов. Разрушение при ис­пытании происходит на некотором рас­стоянии от плоскости соединения по наи­менее прочному металлу. Это объясняется упрочнением тонких слоев металла, при­легающих к соединенным поверхностям, при их пластической деформации.

Параметрами режима сварки взрывом являются скорость детонации D, нормаль­ная скорость v_H метаемой пластины при соударении с основанием и угол у их встречи при соударении.

Скорость детонации, определяемая ти­пом взрывчатого вещества и толщиной его слоя, должна обеспечивать образование направленной (кумулятивной) струи без возникновения опасных для металла удар­ных волн: чем больше v_H/D, тем больше у.

Сварку взрывом используют при изго­товлении заготовок для проката биметалла, плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическими и химическими свойствами, при сварке заготовок из разнородных мате­риалов. Целесообразно сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой.

12. ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА

При диффузионной сварке соединение образуется в результате взаимной диффу­зии атомов в поверхностных слоях кон­тактирующих материалов, находящихся в твердом состоянии. Диффузионные про-

цессы в поверхностных слоях контакти­рующих заготовок протекают достаточно активно при нагреве до температур рекри­сталлизации (0,4 r_ra) и давления, необхо­димого для пластического деформирова­ния микровыступов и их смятия с целью обеспечения физического контакта по всей поверхности.

Диффузионную сварку в большинстве случаев выполняют в вакууме, однако она возможна в атмосфере инертных и защит­ных газов. Свариваемые заготовки 3 (рис. 5.44) устанавливают внутри охлаж­даемой металлической камеры 2, в кото­рой создается вакуум 133(10"³ ... 10"⁵) Па, и нагревают с помощью вольфрамового или молибденового нагревателя либо ин­дуктора ТВЧ 4. Все вводы в камеру (5 - к вакуумному насосу, б - к высокочастот­ному генератору и др.) хорошо герметизи­руются. С целью ускорения процесса в камеру может быть введен электронный луч, позволяющий нагревать заготовки с еще более высокими скоростями, чем при использовании ТВЧ. Обычно такой нагрев применяют при диффузионной сварке ту­гоплавких металлов и сплавов.

После того как достигнута требуемая температура, к заготовкам прикладывают с помощью механического /, гидравлического или пневматического устройства небольшое сжимающее давление (1 ... 20 МПа) в тече­ние 5 ... 20 мин.

Рис. 5.44. Схема диффузионной сварки в ва­кууме

СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ

269

Рис. 5.45. Циклограмма диффузионной сварки: В - вакуум; Р - сжимающая сила; Т - температура; d - загрузка и герметизация; /₂ - начальная откачка; /з - нагрев; (₄ - сварка; (₅ - охлаждение; t₆ - разгерме­тизация и выгрузка

нуждаются в последующей механической обработке.

Диффузионную сварку применяют в космической технике и радиоэлектронике, в самолетостроении, приборостроении, в пищевой промышленности и других от­раслях. Этот способ используют для свар­ки деталей и узлов вакуумных приборов, высокотемпературных нагревателей, при производстве инструмента и т.д.

Установки для диффузионной сварки выпускают для единичного производства с обычным ручным управлением и для се­рийного поточно-массового производства с полуавтоматическим или автоматиче­ским программным управлением.

На рис. 5.45 представлена циклограмма диффузионной сварки. Термомеханиче­ское воздействие, а также различия в ко­эффициентах термического расширения в случае сварки разнородных материалов облегчают разрушение малопластичных поверхностных пленок. Микронеровности пластически деформируются; в результате явления ползучести площадь физического контакта во время выдержки возрастает до 90 ... 95 %. Завершение процесса образова­ния контакта происходит в результате диффузионного зарастания несплошностей.

Для получения качественного соеди­нения нагрев заготовок по всему сечению должен быть равномерным, а их поверх­ности предварительно очищены от окси­дов и загрязнений. При нагреве в вакууме тончайшие адсорбированные и масляные пленки испаряются и не препятствуют образованию соединения.

Диффузионной сваркой можно соеди­нять металлы и сплавы, керамические ма­териалы в однородных и разнородных сочетаниях независимо от их термомеха­нических свойств и взаимного смачива­ния, получая при этом прочные соедине­ния без какого-либо изменения физико-механических свойств. Полученные со­единения после сварки, как правило, не

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какова принципиальная сущность обра­ зования соединения в твердом состоянии?

2. Вследствие каких причин прочность сварного соединения, полученного холодной сваркой, выше прочности основного металла?

3. Каковы отличительные особенности и возможности контактной стыковой сварки со­противлением и оплавлением?

4. С какой целью при точечной сварке про­водят проковку точек?

5. Что достигается при применении преры­вистого тока при шовной сварке?

6. Какие из особенностей конденсаторной сварки позволяют ее использовать для сварки очень малых толщин, для сварки разнородных металлов?

7. Вследствие каких особенностей высоко­частотная сварка является менее энергоемким процессом, чем контактная шовная, применяе­мая для тех же целей?

8. В каких случаях следует применять при сварке трением схему процесса с промежуточ­ным вращающимся элементом?

9. Какие процессы в зоне контакта приво­дят к образованию сварного соединения при ультразвуковой сварке?

10. С какой целью при сварке взрывом сва­ риваемые поверхности располагают под углом друг к другу?

270 СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО